乳化液對線切割加工黃銅性能影響的實驗

彭 麗 樊 越 邵甄胰 程 明 林陽軍

(成都工業學院，四川 成都 611730)

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乳化液對線切割加工黃銅性能影響的實驗

彭 麗 樊 越 邵甄胰 程 明 林陽軍

(成都工業學院，四川 成都 611730)

從線切割加工黃銅存在的主要問題：切割顆粒大，電蝕物粘附鉬絲，表面粗糙度差，特別是加工薄件時問題尤為突出，從乳化液pH值進行切割實驗，經過不同pH值切割實驗對比 ，實驗證明pH值在8.80～8.41之間時電蝕物粘附鉬絲改善明顯，此時表面粗糙度有所改善。從而得出結論：切割黃銅薄件與乳化液pH值相關。此結論不僅對加工黃銅具有前所未有的改善，對加工有色金屬具有非常重要的意義。

線切割加工；乳化液；黃銅；pH值；電蝕物；粘附；表面粗糙度

在現代工業生產中，線切割機因為輪廓加工所需的余量少，精度較高，機械加工中廣泛使用。對加工貴金屬材料更能有效地節約資源，充分利用很少余量加工出所需精密零件，特別是在加工航空雷達方面的零件尤為突出。但貴金屬材料具有其特殊的理化性能，因而線切割加工時存在著較突出的問題。如：電蝕物顆粒大、電蝕物易粘附在電極絲上、造成堵塞乳化液冷卻不暢等。隨著加工時間的延長，將影響電極絲的放電性能，短路、斷絲時常發生，加工不穩，工件的表面質量嚴重受損，加工工件精度無法保證。然而在國內外學術研究中，很少有對線切割加工貴金屬、有色金屬遇到問題時的解決辦法，幾乎是空白。解決的方法：常常通過改變脈寬、脈間、功效管等來改變加工條件，而冷卻液、加工溫度在一般生產中并不重視。為了進一步提高線切割加工效率，我們主要針對乳化液對線切割加工黃銅性能影響進行研究。

在切割過程中，冷卻液的作用主要為降低切割時的鉬絲及工件的溫度，潤滑和沖洗切割留下的電蝕物。在對不同廠家及多種乳化液進行測試，發現高速走絲線切割機乳化液全部呈堿性，而且為了追求加工效率堿性越來越強pH值接近10～11。本文通過在不同pH值下進行薄件黃銅的切割對比實驗，觀察切割的現象、過程及結果，對存在的問題進行探索與實踐。

1 線切割加工特點

電火花線切割機(wire cut electrical discharge machining簡稱WEDM)，是電加工范疇，1943年由前蘇聯拉扎林科夫婦研究開關觸點受火花放電腐蝕損壞的現象和原因，發現電火花的瞬時高溫可以使局部的金屬熔化、氣化而被蝕除掉，從而開創和發明了電火花加工方法。線切割機也是1960年發明于前蘇聯，我國是第一個用于工業生產的國家。其基本物理原理是由正離子和電子在場中積累，很快形成一個被電離的導電通道。在這個階段，兩板間形成電流，導致粒子間發生無數次碰撞，形成一個等離子區，并很快升高到8 000～12 000 ℃的高溫，在兩導體表面瞬間熔化一些材料，同時，由于電極和電介液的汽化，形成一個氣泡，此時它的壓力規律上升直到非常高。而電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內向爆炸，產生的動力把溶化的物質拋出彈坑，而被腐蝕的材料在電介液中重新凝結成小的球體，并被電介液排走。通過NC控制的監測和管控，伺服機構執行，使這種放電現象均勻一致，從而達到加工物被加工，使其成合乎要求的尺寸大小及形狀精度的產品零件。

電火花線切割機按走絲速度可分為高速往復走絲電火花線切割機(reciprocating type high speed wire cut electrical discharge machining俗稱“快走絲”)和低速單向走絲電火花線切割機(low speed one-way walk wire cut electrical discharge machining俗稱"慢走絲")和立式自旋轉電火花線切割機(vertical wire electrical discharge machining machine tool with rotation wire)三類。

慢走絲線切割是電火花線切割的一種，英文簡寫是(WEDM-LS)。是利用連續移動的細金屬絲(稱為電極絲)作電極，對工件進行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型。它主要用于加工各種形狀復雜和精密細小的工件。但成本很高，對于工作環境和乳化液要求都比較高。很多企業不宜普及。本文主要研究高速往復走絲電火花線切割機加工黃銅薄件的切割實驗對比。

2 H62黃銅及線切割工作液

2.1 H62黃銅的特點

H62黃銅表示平均含銅量為62%的普通黃銅，其中，H是漢字“黃”的拼音字母的第一個字母，62是銅元素的平均含量；在普通黃銅的基礎上加入其它元素的銅合金稱特殊黃銅，仍以“H”表示，后面會跟其它添加元素的化學符號和平均成份，如H62為含銅量為60.5%～63.5%，余量為鋅含量；而HAl59-3-2則表示其銅含量57%～60%，鋁含量為2.5%～3.5%，鎳含量為2%～3%，其余為鋅含量。

H62具有良好的力學性能，熱態下塑性好，冷態下塑性也可以，切削性好，易釬焊和焊接，耐蝕，但易產生腐蝕破裂。此外價格便宜，是應用廣泛的一個普通黃銅品種。H62(即四六黃銅)。在室溫下β相較α相硬得多，因而可用于承受較大載荷的零件。α+β兩相黃銅可在600 ℃以上進行熱加工。α+β兩相黃銅顯微組織：α為亮白色的固溶體，β是CuZn為基的有序固溶體。強電場對H62黃銅高溫變形時的空洞有抑制作用。H62黃銅熔點較低906.0 ℃。

2.2 高速走絲線切割機乳化液的作用

高速走絲電火花線切割機加工的穩定前提首先必須保證切割過程中不斷絲。然而斷絲是隨放電能量和切割厚度增加而加劇，即與電極絲在放電通道內所受到離子轟擊、冷卻狀態及停留時間密切相關。在多年切割實踐中還發現由于線切割機切割原理導致與切割材料也密切相關。

目前普遍使用含有機油5%左右的乳化液作為工作介質，切割完畢后出現兩個現象：一是切出的工件粘附在余料基體上，一般需要用力甚至敲擊才可以使其與余料基體脫離；二是工件表面覆蓋著膠粘的甚至是粉末狀的蝕出產物，需要煤油甚至汽油才能刷洗干凈。這主要是放電通道內10 000 ℃以上的高溫，是乳化液分解成膠體狀或顆粒狀的物質所致。這些物質粘附在切縫內，并主要在切縫的出口堆積，嚴重影響電蝕產物的排出，并阻擋新的乳化液介質進入切縫。

由于兩極間不能維持不斷更新工作介質，從而直接影響正常放電的延續，甚至在混有大量膠體物質的間隙內進行放電并產生電弧放電，從而使工件和電極絲表面得不到及時冷卻，絕緣狀態不正常，造成正常放電比例降低，切割速度降低，工件表面燒傷，換向條紋嚴重等一系列問題，同時損失電極絲的耐用度，嚴重時引起燒絲。因此乳化液對于極間通道冷卻、消電離均有大的影響，粘稠狀的產物會對電極絲起到“保溫”的作用，工件越厚，運絲越慢，電極絲通過加工區域的時間越長，斷絲的幾率自然會增加。乳化液在極間放電時將分解成膠體或顆粒狀物質是一種必然現象， 所以使用乳化液必然會大大限制切割工藝指標的提高，極間冷卻狀態惡化其最直接的結果是導致高速走絲必須以十分保守的放電能量換取不斷絲的加工狀況。目前使用乳化液為工作介質時一般平均切割電流都在3 A以內，在這種放電能量條件下是不可能獲得較高切割效率的。

因此在使用乳化液作為工作介質的前提下，長時間以來對高頻脈沖電源的改進及運絲系統的完善結構等措施對切割效率的提高均收效甚微，這就是高速走絲線切割的切割效率長期徘徊在很低水平的根本原因。線切割工作液一般要求有一定的絕緣性能、較好的洗滌性能、較好的冷卻性能和對環境無污染，對人體無危害。工作液的配置也相當重要，太濃、太淡時，均會引起斷絲和加工不穩定，影響所有切割工藝指標，一般濃度比例根據所使用工作液不同，都標有配比濃度比例范圍。切割速度要求高或大厚度工件切割時，濃度適當低些，這樣加工比較穩定，且不易斷絲。但工作液濃度比也不能太低，否則將使工作液絕緣性能降低，電阻率減小，冷卻能力增強，但降低了對工件的潤滑作用，不利于排屑，也容易斷絲。

2.3 加工黃銅的問題

線切割工作液能否在提高加工效率和改善加工表面粗糙度的同時對特殊材料的加工進行改進？ 如針對低熔點材料及黃銅， 該材料的特點是線切割加工易蝕除，電蝕物顆粒大，電蝕產物極易粘附于電極絲。往復走絲線切割機床使用的電極絲材料多為鉬、鎢或鎢鉬絲。王光君等研究了在鉬粉上鍍銅，采用化學鍍方法對平均粒度為3 μm 的鉬粉進行化學鍍銅， 溫度控制在55～75 ℃，pH 值控制在11.5～13 范圍內。結果表明，鉬粉上鍍銅在溫度一定、pH值為12 左右時效果最佳。還有很多關于鉬粉和鎢粉鍍銅的研究都是在堿溶液和一定溫度下進行的。如何控制線切割工作液堿性及溫度就是線切割加工黃銅出現問題的主要因素。瞬時溫度無法控制，只能從乳化液的酸堿性入手，對不同pH值下的切割對比試驗進行探索與研究。

3 H62黃銅薄件切割實驗

3.1 實驗方法

按要求正常比例配制冷卻液，并測出pH值、室內溫度；切割材料銅板，厚度5 mm；切割形狀15 mm× 15 mm 的正方形；在相同電參數情況下，用pH調節劑，在不同pH值工作液中進行切割實驗對比，主要觀察不同pH值工作液中切割黃銅薄件，電蝕物粘附鉬絲的程度及粗糙度的變化。我們已經用長時間切割實驗證明，電參數和工作液濃度有一定的變化，但不顯著，也沒解決根本問題。

選擇脈寬8 μs、脈沖間隔1:15、功放管2只，適當的組合搭配，切割效率控制一致=20 mm2/min進行切割，并觀察切割過程中的現象,鉬絲在不同pH值切割后直徑變化如表1。

每次切割前測量鉬絲直徑，切割完后測量鉬絲的直徑，切割三個樣件后用煤油洗表面。

完成一組pH值后，向冷卻液中加入pH調節劑，降低pH值，找到幾組典型變化趨勢進行比較。

使用線切割機型號：DK7745；生產廠家：成都無線電專用設備廠。

使用工作液型號：JR-1A復合型電火花線切割工作液(乳化膏)；廠家：浙江佳潤。

3.2 實驗數據

表1 切割條件

切割前鉬絲直徑/mmpH切割后鉬絲直徑/mm0.2509.810.2520.2529.340.2530.2539.030.2540.2548.800.2540.2548.410.2530.2538.350.2540.2548.220.2530.2537.960.2530.2537.880.252

實驗數據見表1，不同pH的切割樣件圖及局部放大圖見圖1。

由切割數據發現，當pH等于8.8～8.41之間，鉬絲直徑沒有變化，說明鉬絲粘附電蝕物減少，而且鉬絲顏色比較均勻，在切割過程中，我們能看到切割電蝕物銅屑隨鉬絲運動大部分被冷卻液帶出沖走，在清洗樣件表面時，粘附在表面的銅屑很容易清洗掉，觀察樣件表面，顏色較前幾組更明亮，更接近銅的本色，粗糙度明顯變化，顆粒變細。

而當pH低于8，在pH等于7.96時切割過程中，發現冷卻液變粘，加工效率下降，僅有少量銅屑能被帶出，而且加工后銅件表面暗淡、無光。繼續稀釋工作液使pH之降至7.88時，切割緩慢，調整其他參數，使其切割效率達20 mm2/min左右，切割完后，觀察冷卻水箱，冷卻液有很多團狀漂浮物，而且樣件清洗困難，無法完全清洗掉表面的電蝕物，表面發黑，氧化嚴重，說明隨著工作液堿性降低，洗滌功能及冷卻功能降低，切割效率也變低，此時嚴重影響切割。此時的冷卻液也不能再繼續加工。當pH等于7.96～7.88鉬絲直徑也無變化，當pH低于7.88時，幾乎無法正常加工。不同pH下切割時鉬絲直徑變化如圖2所示。

4 結語

從長時間的反復切割實驗中我們不難發現，高速走絲線切割機工作液必須在堿性環境下才能正常切割，這個是早已證明并且已實現。對于切割黃銅仍然一樣，但切割黃銅對工作液要求更高，不僅與pH值有關，而且加工時對pH值更加敏感，這是因為黃銅特殊理化性能決定，當在pH等于8.41～8.80時切割效率及切割表面質量最佳，此時電蝕物粘附鉬絲幾乎可以被工作液帶走，鉬絲直徑切割前后沒有變化。這一發現無疑可以使線切割機加工有色金屬有了新的突破，填補了長期以來線切割加工有色金屬的嚴重問題，電蝕物粘附鉬絲，影響加工表面及切割效率等問題。

未來，材料是科學技術發展的基礎。由于往復走絲線切割機床成本較低，加工范圍廣，不僅是貴金屬，包括工程陶瓷材料和結構陶瓷材料，由于其具有輕質、高強、超硬、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、化學穩定性好等獨特的優良性能，在航天航空、石油化工、儀器儀表等領域的應用廣泛。怎樣更有效地控制工作液的pH值既可以提高加工效率又可以減少電蝕物粘附鉬絲仍然是以后探索的問題。

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Experiments of impact of emulsion on WEDM processing brass performance

PENG Li, FAN Yue, SHAO Zhenyi, CHENG Ming, LIN Yangjun

(Chengdu Technological University, Chengdu 611730, CHN)

From the main problems of WEDM processing brass: cutting particles is large, electrical erosion adheres on molybdenum wire, surface roughness is bad, especially when processing thin plate problem is particularly prominent, from emulsion pH cutting experiments, through different pH cutting experiment contrast, experiments show pH value between 8.41～8.80 electric erosion adhering on molybdenum wire improves, meanwhile the surface roughness improves.Thus draw the conclusion: brass thin cutting is associated with emulsion pH value.This conclusion not only has unprecedented improvement on processing brass, but also has importance for processing non-ferrous.

WEDM processing; emulsion; brass; pH; electric erosion; adhesion on; surface roughness

TG661

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.019

彭麗，女，1964年生，高級實驗師，研究方向為高速走絲線切割機加工有色金屬工藝研究及質量控制，已發表論文24篇。

(編輯 汪 藝)

2016-09-03)

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